李宗仁在指挥徐州以南阻击北进之敌的同时，又积极阻截华北日军南下。
按原定作战方案，徐州以北保卫战，由第5战区副司令长官兼第3集团军总司令韩复榘指挥，岂知驻扎山东的韩复榘，大敌当前，还为保存实力打小算盘。12月23日，日军一部攻陷归仁镇后，韩复榘未战而走，造成了严重后果。27日，济南失守，日军由博山、莱芜进攻泰安。1938年1月1日，泰安落入日军北方军第2军矶谷廉介之手。韩复榘连连丧池失地，致北段津浦路正面大门洞开，使日军得以沿线长驱直入，给徐州会战投下阴影。李宗仁屡屡严电韩复榘夺回泰安，并以此为根据地阻截南下之敌。韩复榘对李宗仁的命令置若罔闻，一错再错。为此，韩遭到蒋介石枪毙的处置，由孙桐萱代任其职。
日军骄狂无忌地南北乱窜，他们做梦也没想到，此时的中国军队，经过蒋介石杀韩复榘，以镇军威以后，中国军队上自战区司令长官下至普通士兵无不受到震动，士气大振。
为确保徐州地区的安全，李宗仁命孙桐萱部（原韩复榘的第3集团军），向运河以东推进，袭击济宁、汶上的日军据点，以牵制敌人主力。孙桐萱部第22师于2月12日晚由大长沟渡运河，14日晚有一小部攀登入济宁城，双方短兵相接，血战数日，终因敌我双方力量悬殊，入城部队伤亡极大，17日晚撤至运河西岸。
与此同时，第12军81师也直取汶上，于12日晚由开河镇渡运河，一部由城西北攻入汶上城内，与日军进行激烈巷战，终因人少势弱，损失严重，13日奉李宗仁之命撤向运河西岸。19日，日军攻陷安居镇，22日突破曹福林第55军阵地。25日，日军突破杏花村阵地，守军被迫撤至相里集、羊山集、巨野一线。但李宗仁在这一线布置大量兵力，不断侧击北段南下之敌，使敌军在这一带徘徊不能南进，暂时稳定了战局。